Lenkung

Als Lenkung bezeichnet man die Vorrichtung zur Beeinflussung der Fahrtrichtung von Fahrzeugen jeglicher Art. Dieser Artikel beschäftigt sich vor allem mit der Lenkungstechnik an zweispurigen Landfahrzeugen, insbesondere mit der Achsschenkellenkung.

Entwicklung Kutschen als Vorgänger der motorisierten Fahrzeuge hatten eine Schwenkachslenkung (oder Drehschemellenkung). Dabei wird der vordere starre Achskörper mit seinen an beiden Enden gelagerten Rädern um einen in der Mitte befindlichen Bolzen horizontal geschwenkt. Diese Lenkung kommt heute noch oft an mehrachsigen Anhänger-Fahrzeugen vor. Wegen der hohen Lenkkräfte war die Steuerung eines selbst fahrenden Fahrzeugs kaum möglich. Um den Problemen mit zwei gelenkten Rädern aus dem Weg zu gehen, wurde der Benz Patent-Motorwagen Nummer 1 als Dreirad mit Steuerkopflenkung gebaut. Das Prinzip der Steuerkopflenkung wurde auch noch beim vierrädrigen Daimler Stahlradwagen von 1889 verwirklicht, bei dem zwei Spurstangen die Drehbewegung der Lenkpinne auf die Gabeln übertrugen.Daimler Stahlradwagen Das erste Fahrzeug mit Verbrennungsmotor und der von Carl Benz im Jahre 1893 patentierten AchsschenkellenkungPatent Nr. 73515: „Wagenlenkvorrichtung mit tangential zu den Rädern zu stellenden Lenkkreisen“ war 1893 der Benz Victoria.Benz Victoria mit Achsschenkellenkung Die Spurstangen waren an einem mittig angeordneten achsfesten Lenkstockhebel angelenkt. Die Achsschenkellenkung, die bereits im Jahr 1761 von Erasmus Darwin erfunden und erstmals 1816 von dem Hofwagner Georg Lankensperger aus München patentiert wurde, setzte sich in Verbindung mit einer Starrachse allgemein durch.

Mit dem Aufkommen von Einzelradaufhängungen und höheren Geschwindigkeiten musste das Lenkverhalten verbessert werden. Bewegungen der Starrachsen bei Bodenunebenheiten führten zu ungewollten Lenkeinschlägen und Stößen in der Lenkung. Die Schwenkbewegung der Lenkgetriebewelle wurde in unterschiedlichen Ausführungen des Lenkgestänges auf die beiden Spurstangen übertragen. Durch die Pfeilung der Spurstangen ergaben sich erweiterte Möglichkeiten die Radeinschläge nach Ackermann zu verwirklichen. Mit der Entwicklung von Kugelgelenken konnten auch wichtige Lenkungskenngrößen wie z. B. der Lenkrollradius den steigenden Anforderungen, die sich durch ABS ergaben, angepasst werden. Die Zahnstangenlenkung, die bei vielen frontgetriebenen Fahrzeugen mit Quermotor bereits Standard war, setzte sich Mitte der 1990er-Jahre auch in der Oberklasse durch.

Zur Reduktion der Bedienkräfte wurden hydraulisch unterstützte Servolenkungen entwickelt, teilweise mit geschwindigkeitsabhängiger Unterstützung. Trotz verringerter Bedienkräfte wurden direktere Lenkungen für sportlicheres Fahrverhalten möglich. Aus Gründen der Energieeinsparung wurde bei Zahnstangenlenkung die hydraulische durch eine elektrische Unterstützung abgelöst. Diese bot auch die Möglichkeit von Assistenzfunktionen, die sich auf das Lenkradmoment auswirken, z. B. der Spurassistent.

Die Beeinflussung des Lenkverhaltens durch ungleiche Bremskräfte kurvenaußen und kurveninnen ist schon länger Stand der Technik. Bei Fahrzeugen mit Allradantrieb werden auch die Antriebskräfte durch Torque Vectoring so verteilt, wie es der Fahrsituation entspricht.

Hinterachslenkungen werden zunehmend Standard in der Oberklasse. Die Vorderachslenkung wird um Funktionen zur Stabilisierung des Fahrzeugs mittels Überlagerungslenkung erweitert. Aus Sicherheitsgründen gibt es aber immer noch eine mechanische Verbindung vom Lenkrad zu den Rädern. Das ist auch bis Level 4 beim autonomen Fahren der Fall, damit der Fahrer jederzeit die Kontrolle übernehmen kann. Erst bei Level 5 wird auf den Fahrer völlig verzichtet, ein Lenkrad ist nicht mehr erforderlich.

Die Lenkung ist für die Fahrsicherheit von zentraler Bedeutung. Für die Lenkanlagen von Kraftfahrzeugen und Kraftfahrzeuganhängern für den Straßenverkehr in Europa sind die EG-Richtlinien 70/311/EWGRichtlinie 70/311/EWG des Rates vom 8. Juni 1970 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Lenkanlagen von Kraftfahrzeugen und Kraftfahrzeuganhängern, auf eur-lex.europa.eu und 75/321/EWGRichtlinie 75/321/EWG des Rates vom 20. Mai 1975 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Lenkanlage von land- oder forstwirtschaftlichen Zugmaschinen auf Rädern, auf eur-lex.europa.eu sowie die damit äquivalente ECE-Regel ECE-R 79 zu beachten. Die deutsche Straßenverkehrs-Zulassungsverordnung verweist ihrerseits in §38(2) „Lenkeinrichtung“ und dem zugehörigen Anhang auf diese EG-Richtlinie.

Schwenkachs-/Drehschemellenkung mini|Drehschemel eines Pferdewagens, Schemel aus Achskörper und dahinter befindlichem Stützbogen gebildet

Bei der Schwenkachslenkung wird der starre Achskörper mit den an seinen Enden gelagerten Rädern als Ganzes um einen zentralen Bolzen, den „Königsbolzen“, geschwenkt. Die Aufstandsfläche des Fahrzeugs verringert sich jedoch beim Schwenken der Achse immer mehr vom Viereck bis hin zu einem Dreieck bei einer 90°-Stellung, was die Kippstabilität verringert.

Die Konstruktion mit „Königsbolzen“ wurde zur Übertragung des Kippmoments zwischen Achse und Fahrzeug beim Ausschwenken zu einem schemelartigen Gebilde erweitert, dem Drehschemel oder „Drehkranz“, der in aufwändigen Fällen mit Kugelgelenk ausgestattet sein kann.

Frühe Dampfwagen, dampfgetriebene Straßenwalzen oder einfache selbstfahrende Fahrzeuge wie Seifenkisten wurden mit Schwenkachslenkung ausgestattet. Sie wird auch bei Kutschen und anderen Pferdewagen sowie allgemein bei mehrachsigen Anhängern eingesetzt, da die Deichsel zum Ziehen des Fahrzeugs hier auf einfache Weise zugleich auch zur Ansteuerung der gelenkten Achse dienen kann.

Dreirädrige Lastenfahrräder mit zwei Vorderrädern und vornliegender Ladefläche haben überwiegend eine Schwenkachslenkung. Dabei wird die Ladefläche oder -kiste mit der Achse geschwenkt.Lenkungsarten der Lastenräder – Zweispurige Transporträder. e-lastenrad.de. Abgerufen am 23. September 2023.

Steuerkopflenkung Die Steuerkopflenkung oder Gabellenkung wird überwiegend bei einspurigen Fahrzeugen verwendet, kam aber auch im vierrädrigen Daimler Stahlradwagen zum Einsatz. Die Lenkachse liegt in der Radebene und ist leicht nach hinten oben geneigt um den erforderlichen Nachlauf zu gewährleisten.

Außer bei einspurigen (Fahrrädern, Motorrollern) wird sie auch bei dreispurigen Fahrzeugen angewendet. Das einzelne Vorder- oder auch Hinterrad wird geschwenkt, so bei klassischen Dreirädern und auch bei Rollstühlen und hinten gelenkten Gabelstaplern.

Bestandteile der Steuerkopflenkung

Radgabel, Lenkkopf (Motorrad) bzw. Steuersatz (Fahrrad) Motorradlenker bzw. Fahrradlenker

mini|US-Patent: US1715246A#3 Lenkköpfe#11 Lenkhebel#12 Doppelrohrsystem

Duplex-Lenkung Unter dem Namen Duplex-Lenkung ist eine Vorderradaufhängung für Motorräder mit zwei Lenkköpfen bekannt. Darin sind die Lenkwellen gelagert, an deren Enden die Lenkhebel befestigt sind. Sie bilden zusammen mit dem Rad bzw. dem Lenker jeweils ein oberes und unteres Lenktrapez. Durch die Momentanpole der beiden Lenktrapeze verläuft die ideelle Lenkachse, die bei Lenkeinschlag nicht in der Radebene liegt. Das Rad ist an einem Doppelrohrsystem federnd gelagert, das von den Lenkhebeln bewegt wird. In der Patentschrift wird auf die Steifigkeit dieser Lenkung verwiesen. Durch die Lenkhebel die schnell eine Strecklage erreichen, ist der Lenkeinschlag begrenzt.

Achsschenkellenkung Radeinschläge nach Ackermann mini|links|Achsschenkellenkung mit durchgehender Spurstange bei Starrachsen. (M=Mittelpunkt bzw. Momentanpol)

Beide Räder sollen bei Kurvenfahrt mit geringer Querbeschleunigung auf einer Kreisbahn mit gleichem Mittelpunkt rollen, dem Momentanpol der Bewegung. Bei der Drehschemellenkung ist das automatisch der Fall. Bei der Achsschenkellenkung müssen die Räder unterschiedlich geschwenkt werden, das innen liegende stärker als das außen liegende. Bei Starrachsen mit durchgehender Spurstange erreicht man das mit der Bildung des sogenannten Lenktrapezes aus dem Achskörper, den beiden leicht nach innen weisenden Spurhebeln an den Achsschenkeln und einer Spurstange, die kürzer als der Achskörper ist. Dadurch entstehen beim Schwenken der Räder ungleich lange wirksame Hebelarme, so dass sich die Verlängerungen aller Radachsen ungefähr im Kurvenmittelpunkt schneiden (Ackermann-Prinzip). Ein Hinweis auf ein richtig dimensioniertes Lenktrapez ist die Tatsache, dass sich die verlängerten Lenkhebel an den Achsschenkeln in Geradeausstellung in der Mitte der Hinterachse treffen (s. Abbildung). Bei Einzelradaufhängungen trifft diese Einschränkung nicht zu, da sich die Ackermannbedingung durch entsprechende Pfeilung der Spurstangen einhalten lässt. Moderne Fahrzeuge sind auch nicht streng nach Ackermann ausgelegt, sondern haben etwas geringere Spurdifferenzwinkel, da andere Kriterien wie Wendekreis oder die Lenkungsrückstellung berücksichtigt werden.

Die Ackermannlenkung wurde erstmals 1816 von dem Hofwagner Georg Lankensperger aus München patentiert. Dieser überließ sie in England dem Verleger und Unternehmer Rudolph Ackermann, weshalb sie dort unter dem Begriff „A-Steering“ bekannt wurde. An Ackermann erinnert auch die Bezeichnung desjenigen Lenkwinkels als Ackermann-Winkel der bei langsamer Kurvenfahrt durch das Verhältnis von Radstand und Radius definiert ist und die Ackermann-Funktion, welche die Spurwinkeldifferenz zwischen dem kurveninneren und dem kurvenäußeren Rad beschreibt, die vom Lenkwinkel des kurveninneren Rades, vom Radstand und der Spurweite abhängt. Weitere Patente erhielten Amédée Bollée 1876 in FrankreichBird, Montagu of Beaulieu: Steam Cars, 1770–1970(1971), S. 52. und Carl Benz 1893.Ein Jahrhundert Automobiltechnik – Personenwagen. VDI Verlag, 1986, ISBN 3-18-400620-4, S. 368.Hinweise und Aufzeichnungen der Royal Society of London © 2002 The Royal Society

Unter der Maßgabe, dass der Momentanpol auf einer Geraden senkrecht zur Fahrzeuglängsachse liegt, lassen sich die Spurdifferenzwinkel nach Ackermann für beliebig viele gelenkte Achsen ermitteln. Die Lage des Momentanpols ergibt sich aus der Position der ungelenkten Achsen, denn diese müssen mit möglichst geringem Schräglaufwinkel abrollen.

Einzelradaufhängung mini|Zahnstangenlenkung mini|Achsschenkel-Lenkanlage mit Schrauben- oder Schnecken-Lenkgetriebe1 Lenkrad2 Lenksäule3 Lenkgetriebe4 Spurstangen5 schwenkbare Rad-Achsschenkel6 Spurhebel7 Zwischenstange8 Lenkstockhebel9 Zwischenhebel

Die beiden Achsschenkel oder Radträger sind um je eine eigene, leicht geneigte Achse schwenkbar gelagert. Die Spreizachse war ursprünglich durch einen Achsschenkelbolzen festgelegt. Bei modernen Fahrwerken sind ideelle Spreizachsen üblich, wie sie sich z. B. durch einen aufgelösten unteren Dreieckslenker ergeben. Damit sind Spreizachsen möglich, die teilweise weiter außen als das Rad liegen. Zum koordinierten Schwenken sind die Radträger gelenkig über das Lenkgestänge miteinander verbunden. Die Drehung des Lenkrads wird über das Lenkgetriebe und das Lenkgestänge auf die Räder übertragen. Das Lenkradmoment gibt dem Fahrer eine Rückmeldung über den Fahrzustand. Es darf aus Sicherheitsgründen einen Maximalwert nicht übersteigen. Das Produkt aus Lenkgetriebeübersetzung und Gestängeübersetzung (Gesamtlenkübersetzung) muss bei Fahrzeugen ohne Lenkunterstützung entsprechend indirekt ausgelegt sein. Bei Fahrzeugen mit Servolenkung ist eine direktere Gesamtlenkübersetzung möglich.

Im Fahrbetrieb wirken bei Kurvenfahrt Seitenkräfte und Reifenrückstellmomente auf das Rad. Durch gezielte Elastizitäten im Lenksystem und der Radaufhängung (Elastokinematik) stellen sich Radlenkwinkel ein, die geringer sind als auf Grund der Lenkübersetzung zu erwarten wäre. Die Elastizitäten tragen zum untersteuernden Verhalten des Fahrzeugs bei.

Bestandteile der Achsschenkellenkung

Radträger Achsschenkelbolzen oder Kugelgelenke zum Anschluss an die Radaufhängung